KR100274913B1 - Noise-cancelling telephone hanset - Google Patents
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Abstract
통상의 송화기단 및 수화기단과 이들을 연결하는 손잡이부를 갖는 무선 또는 전화 송수화기는 잡음 상쇄 회로를 보완하기 위해 음향 특성에 적합한 물리적 특성을 갖도록 설계된다. 수화기 스피커는 수화기 캡내에 탑재되고, 이 캡은 구멍이 뚫린 둥근 형상의 이어피스와 함께 형성되며, 이 이어피스는 수화기 캡의 외부 표면으로부터 연장된다. 이어피스의 둥근 형상은 사용자의 외이에 끼워져 사용자의 귀에 대한 수화기의 위치 설정을 돕는다. 수화기 캡 외부 표면상에 반경 방향으로 배치되고, 상기 이어피스를 에워싸는 개구들은 수화기 스키커로부터의 신호가 직접 사용자의 귀구멍으로 실질적으로 전달되는 음성 그릴을 규정한다. 잡음 흡수 재료는 수화기내의 적절한 위치에 배치된다.A conventional handset and a handset or wireless or telephone handset having a handle portion connecting them are designed to have physical properties suitable for acoustic properties to complement the noise canceling circuit. The handset speaker is mounted in the handset cap, which is formed with a perforated round earpiece, which extends from the outer surface of the handset cap. The round shape of the earpiece fits into the user's outer ear to help position the handset with respect to the user's ear. Opening radially on the handset cap outer surface, the openings surrounding the earpiece define a voice grille through which signals from the handset skikers are substantially transmitted directly to the ear hole of the user. The noise absorbing material is disposed at an appropriate location in the handset.
Description
제1도는 송수화기의 측면도.1 is a side view of the handset.
제2도는 본 발명의 송수화기의 수화기 캡의 부분 측단면도.2 is a partial side cross-sectional view of the handset cap of the handset of the present invention.
제3도는 수화기 캡의 정면도.3 is a front view of the handset cap.
제4도는 수화기 입력 구동 전압과 잡음 상쇄 마이크로폰의 출력 전압간의 크기 및 위상 지연 관계를 도시하는 그래프.4 is a graph showing the magnitude and phase delay relationship between the handset input drive voltage and the output voltage of the noise canceling microphone.
제5도는 본 발명의 실시예의 능동 잡음 상쇄 특성을 도시하는 도면.5 shows active noise canceling characteristics of an embodiment of the invention.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for main parts of the drawings
9 : 전화선 10 : 송수화기9: telephone line 10: handset
11 : 송화기 캡 12 : 수화기 캡11: handset cap 12: handset cap
13, 30 : 발포체 14 : 손잡이 부분13, 30: foam 14: handle portion
15 : 수화기 16 : 와이어15: handset 16: wire
17, 25 : 슬리브 18, 23 : 하우징17, 25: sleeve 18, 23: housing
19 : 이어피스 20 : 외부 표면19: earpiece 20: outer surface
21 : 슬롯 22 : 마이크로폰21: slot 22: microphone
24 : 플랜지 26 : 포트24: Flange 26: Port
27 : 연장부 28 : 패드27: extension portion 28: pad
29 : 공동부 31 : 스크린29: cavity 31: screen
33 : 통로 40 : 제어 회로33 passage 40: control circuit
본 발명은 전화 송수화기 장치에 관한 것으로서, 특히 인입 음성 신호의 명료성(intelligibility)에 간섭을 일으키는 주변 잡음의 에너지를 감소시키는 잡음 상쇄 회로의 성능이 향상되게 구성한 수화기에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a telephone handset device, and more particularly, to a handset configured to improve the performance of a noise canceling circuit that reduces the energy of ambient noise that interferes with the intelligibility of an incoming voice signal.
전화 및 기타 다른 통신 스테이션, 예로서, 셀룰러 터미날(cellular terminals)에서의 표준 장비인 송수화기는, 기본적으로 손잡이 부분에 의해 연결된 수화기 및 송화기 마이크로폰(microphone)으로 구성된다. 건설 현장, 기계 상점, 공항, 버스 터미날, 또는 카폰 스테이션(car telephone station)과 같은 잡음이 많은 환경에서 통상적인 수화기를 사용하면, 많은 주변 잡음이 사용자의 청력을 방해하므로 그 효용이 감소한다. 따라서, 음량 제어와 같은 방책을 종래 기술의 송화기에 사용하여, 잡음 신호 레벨에 대해 인입 음성 신호를 증가시킴으로써 인입 음성의 명료성을 향상시킨다. 그러나, 상기한 원하지 않는 잡음이 여전히 사용자에게로 흘러 들어가서, 그 결과의 신호 대 잡음비는 여전히 음성의 명료성에 상당한 갖섭을 초래한다.Handsets, which are standard equipment in telephones and other communication stations, such as cellular terminals, consist essentially of the handset and the handset microphones connected by a handle portion. Using a conventional handset in noisy environments, such as construction sites, machine shops, airports, bus terminals, or car telephone stations, reduces the utility as many ambient noises interfere with the user's hearing. Thus, measures such as volume control are used in prior art talkers to improve the intelligibility of the incoming speech by increasing the incoming speech signal relative to the noise signal level. However, the unwanted noise still flows into the user, and the resulting signal-to-noise ratio still results in significant interference with speech clarity.
종래 기술의 송수화기는 전형적으로 잡음 상쇄 회로를 사용하지는 않았지만, 이러한 회로는, 예를 들면 항공기용으로 사용하는 종래 기술의 송수화기에서 찾아볼 수 있다. 능동 잡음 상쇄 회로는 전형적으로 잡음 상쇄 마이크로폰으로 주변 잡음 신호를 선별하여 원하지 않는 잡음 신호를 역변환한다. 이것을 수신 채널에 인가되어 잡음 신호와 감산적으로 간섭된다. 그러나, 전자적인 상쇄 기법을 내장한 송수화기 설계의 어려움은, 부분적으로는 송수화기의 음향 특성, 구체적으로는 잡음 자체에 대한 잡음 상쇄 신호의 위상 및 진폭의 정합게 관련된다. 송수화기는 잡음 상쇄 작용을 위한 실제의 제어 회로와 일치하는 진폭 및 위상 응답을 가지도록 설계되어야 한다.Prior art handsets typically did not use noise canceling circuitry, but such circuits can be found in, for example, prior art handsets used for aircraft. Active noise canceling circuits typically invert unwanted noise signals by filtering out ambient noise signals with noise canceling microphones. This is applied to the receive channel and subtractively interferes with the noise signal. However, the difficulty of handset design incorporating electronic cancellation techniques is in part related to the matching of the acoustic characteristics of the handset, specifically the phase and amplitude of the noise canceling signal to the noise itself. The handset should be designed to have an amplitude and phase response that matches the actual control circuitry for noise cancellation.
본 발명에 따르면, 제1항에 청구된 바와 같은 주변 잡음 감소 전화 송수화기가 제공된다. 수화기 캡의 이어피스(earpiece)는 하우징(housing)이 설치되는 중앙 개구부로서 형성하였다. 이 하우징은 잡음 상쇄 마이크로폰을 포함한다. 이 하우징의 일부분은 사용자의 외이(外耳, outer ear)에 끼위질 수 있도록 이어피스의 외부로 확장된다. 따라서, 마이크로폰은 사용자의 귀구멍 바로 근처의 주변 잡음을 직접 샘플링한다. 잡음 상쇄 회로는 주변 잡음 신호에 최적으로 위상 관련된 잡음 감소 신호를 발생함으로써 주변 잡음에 응답한다.According to the invention, there is provided an ambient noise reduction telephone handset as claimed in claim 1. The earpiece of the earpiece cap was formed as a central opening in which the housing was installed. This housing includes a noise canceling microphone. A portion of this housing extends out of the earpiece to fit into the user's outer ear. Thus, the microphone directly samples ambient noise near the user's ear hole. The noise canceling circuit responds to ambient noise by generating a noise reduction signal that is optimally phase related to the ambient noise signal.
본 발명의 잡음 상쇄 장치는 제1도에서 전화 송수화기(10)내에 도시되어 있다. 송수화기(10)는 기본적으로 통상적인 구성으로 되어 있으며, 송화기 캡(11) 및 수화기 캡(12)을 포함한다. 음향 차단 발포체(acoustic blocking foam)(13)는 송수화기(10)의 손잡이 부분(14)에 배치된다. 발포체(13)는 상당한 탄성, 우수한 컴플라이언스(compliance) 및 높은 음향 감쇠(damping) 특성을 갖는 발포성 폴리우레탄(open pore polyurethane)과 같은 재료로 구성될 수 있다. 발포체(13)는 송수화기의 송화기로부터 수화기로 전달되는 사용자 자신의 음성 에너지를 가능한 많이 감소시키기 위해 음향 회로에서 필수적인 부분이다. 발포체(13)는 또한 수신기 뒤의 공간을 효과적으로 제어함으로써 송수화기내의 음향 공명을 억제한다.The noise canceller of the present invention is shown in the telephone handset 10 in FIG. The handset 10 is basically in a conventional configuration and includes a handset cap 11 and a handset cap 12. An acoustic blocking foam 13 is disposed in the handle portion 14 of the handset 10. The foam 13 may be composed of a material such as open pore polyurethane, which has significant elasticity, good compliance and high acoustic damping properties. The foam 13 is an integral part of the acoustic circuit in order to reduce as much as possible the user's own voice energy transferred from the handset's handset to the handset. The foam 13 also suppresses acoustic resonance in the handset by effectively controlling the space behind the receiver.
제2 및 제3도에 도시된 바와 같이, 수화기 캡(12)은 잡음 상쇄 제어 회로(40)를 통해 와이어(wire)(16)에 의해 통신 네트워크의 전화선(9)에 연결되는 전화수화기(15)를 포함한다. 수화기(15)는 수신기 캡(12)의 환형 하우징(annular housing)(18)내에 적절하게 끼워진 스피커 탑재 슬리브(speaker mounting sleeve)(17)내에 수용된다.As shown in Figs. 2 and 3, the handset cap 12 is connected to the telephone line 9 of the communication network by a wire 16 via a noise canceling control circuit 40. ). The earpiece 15 is housed in a speaker mounting sleeve 17 suitably fitted in an annular housing 18 of the receiver cap 12.
수화기 캡(12)은 사용자의 귀와 접촉하는 외부 표면(20)상에서 약간 둥근 형상이 이어피스(earpiece)(19)와 함께 제조된다 제3도에 도시된 일련의 방사형 슬롯(slots)(21)은 음향 그릴(grill)을 제공하며, 이를 통해 수화기(15)로부터의 인입 신호가 사용자의 귀구멍에 도달하게 된다. 슬롯(21)은 또한 수화기(15)로부터 마이크로폰 하우징(23)내에 배치된 마이크로폰(22)까지 최단의 가능한 경로를 따라 음성이 통과하도록 구성되고 배치된다.The earpiece cap 12 is fabricated with an earpiece 19 that is slightly rounded on the outer surface 20 in contact with the user's ear. The series of radial slots 21 shown in FIG. An acoustic grill is provided, through which the incoming signal from the handset 15 reaches the ear hole of the user. The slot 21 is also configured and arranged to allow voice to pass along the shortest possible path from the earpiece 15 to the microphone 22 disposed in the microphone housing 23.
마이크로폰 하우징(23)은 외부 표면(20)상에 하우징(23)을 위치시키기 위한 플랜지(flange)(24) 및 내부에 마이크로폰(22)이 고정 설치되는 슬리브(sleeve)(25)를 포함한다. 하우징(23)은 또한 하우징(23)의 연장부(27)를 통해 형성되는 일련의 음성 포트(port)(26)를 포함한다. 연장부(27)는 사용자의 외이에 약간 들어가 사용자의 귀에 대한 수화기의 위치 설정을 보조하며, 마이크로폰(22)을 가능한 한 귀에 가깝도록 위치시켜 사용자의 귀에 들리는 정확한 음성 분포를 감지하게 한다. 음성의 명료성을 향상시키기 위한 제어에 가장 중요한 약 100Hz 내지 1000Hz의 대역폭에 걸친 최적의 잡음 상쇄 성능을 얻는데는 이러한 정합도가 필요하다.The microphone housing 23 includes a flange 24 for positioning the housing 23 on the outer surface 20 and a sleeve 25 in which the microphone 22 is fixedly installed. The housing 23 also includes a series of voice ports 26 formed through the extension 27 of the housing 23. The extension 27 slightly enters the user's outer ear to assist in positioning the receiver relative to the user's ear, and places the microphone 22 as close to the ear as possible to detect the correct voice distribution heard in the user's ear. This match is necessary to achieve optimal noise canceling performance over a bandwidth of about 100 Hz to 1000 Hz, which is most important for control to improve speech clarity.
또한, 제2 및 제3도에 도시된 바와 같이, 음성 포트(26)는 음향 그릴 슬롯(21)과 결합하여 짧고 직접적인 마이크로폰(22)과 수화기(15)간의 음성 경로를 형성하여, 비교적 음향 저항 및 위상 지연이 거의 없게 한다. 마이크로폰(22)에 의해 수신된 제어 신호와 회로(40)에서 발생되는 잡음 상쇄 신호간의 위상 지연을 최소화하기 위해서는 수화기(15)와 마이크로폰(22)간의 음향 저항을 최소화하는 것이 매우 바람직하다. 이들 제어 신호와 잡음 상쇄 신호는 가능한 한 위상차가 거의 없어야 한다. 제3도는 필수적으로 서로 근접하게 배치된 음성 포트(26)와 가능고 긴 음성 그릴 슬롯(21)을 도시한다.In addition, as shown in FIGS. 2 and 3, the voice port 26 is coupled to the acoustic grille slot 21 to form a short and direct voice path between the microphone 22 and the receiver 15, thereby providing a relatively acoustic resistance. And virtually no phase delay. In order to minimize the phase delay between the control signal received by the microphone 22 and the noise canceling signal generated in the circuit 40, it is highly desirable to minimize the acoustic resistance between the handset 15 and the microphone 22. These control signals and noise cancellation signals should be as little as possible in phase difference. 3 shows the voice port 26 and the possible long voice grill slot 21, which are essentially arranged in close proximity to each other.
마이크로폰(22)을 제어 회로(40)에 연결하는 마이크로폰 와이어(32)는 공동부(cavity)(29)로부터 환형 하우징(18)내에 형성된 통로(33)를 통해 밖으로 나올 수 있다. 바람직하게, 펠트 패드(felt pad)(28)는 마이크로폰(22) 및 음성 포트(26) 사이에 배치되어 포트(26)를 통해 마이크로폰(22)상으로 먼지 및 다른 입자들이 들어오지 못하게 한다. 먼지 및 습기의 침입을 더 확실히 방지하기 위해 음향적 투과가능 재료층을 패드(2)의 상부에 부가할 수도 있다. 음향 슬롯(21)도 마찬가지로 미립자가 내부로 들어오거나 페이퍼 클립 등이 수화기 캡의 내부로 들어올 수 있게 개방되어서는 안된다. 보호 스크린(31)은 수화기(15)위에 배치하는 것이 바람직하다. 스크린(31)은 구멍이 뚫린 금속 디스크 또는 그릴일 수도 있다. 음향적으로, 스크린(31)은 수화기(15)에서 나오는 음성을 왜곡이나 감소없이 전달하는 역할을 한다.The microphone wire 32, which connects the microphone 22 to the control circuit 40, may come out of the cavity 29 through a passage 33 formed in the annular housing 18. Preferably, a felt pad 28 is disposed between the microphone 22 and the voice port 26 to prevent dirt and other particles from entering the microphone 22 through the port 26. A layer of acoustically transmissible material may be added on top of the pad 2 to more reliably prevent the ingress of dust and moisture. The acoustic slot 21 should likewise not be opened to allow particulates to enter or paper clips or the like into the receiver cap. The protective screen 31 is preferably arranged on the handset 15. The screen 31 may be a perforated metal disk or grill. Acoustically, the screen 31 serves to convey the voice from the handset 15 without distortion or reduction.
제2도에 도시된 바와 같이, 수화기 캡(12)은 발포체(30)가 내부에 위치되는 공동부(29)를 포함한다. 발포체(30)는 특성적으로 열린 셀(open cell) 구조를 가지며 중량이 가벼운 것이 바람직하다. 그물 형상의 폴리우레탄 발포체가 적합한 재료중의 하나이다. 발포체(30)는 수화기(15)내로 들어오는 이물질을 막고, 바람직하지 않은 공명 모드 및 포위제 또는 사용자의 귀로부터 나오는 반사 성분을 감쇠시킴으로써 위상 응답도를 평활화한다.As shown in FIG. 2, the handset cap 12 includes a cavity 29 in which the foam 30 is located. The foam 30 preferably has an open cell structure and is light in weight. Reticulated polyurethane foam is one of the suitable materials. The foam 30 prevents foreign matter from entering the receiver 15 and smoothes the phase responsiveness by attenuating undesirable resonance modes and reflective components from the enclosure or the user's ear.
잡음 상쇄 신호 구동 수화기(15)와 마이크로폰(22)에서 발생하는 제어 신호간의 잔류 위상 지연은 사전결정될 수도 있다.The residual phase delay between the noise canceling signal driving handset 15 and the control signal occurring in the microphone 22 may be predetermined.
본 발명의 송수화기 설계는, 스피커 입력 전압으로부터 마이크로폰 출력 전압으로의 전기음향적 전달 함수를 생성하며, 복잡도가 낮은 보상 회로를 부가하여 100Hz 내지 1100Hz의 범위에서 탁월한 폐루프 상쇄 성능을 제공한다. 제4도에 도시된 이러한 전달 함수는 몇가지의 중요한 특징을 제공한다. 먼저, 그 전달 함수는 불규칙하거나 피크 응답 부분없이 주파수에 따라 점차적으로 변한다. 또한, 그 전달 함수의 크기는 약 1000Hz 보다 높은 주파수에서 급격히 하락하여 약 2000Hz 이상의 거의 모든 공명 피크가 실질적으로 최대 진폭으로부터 20dB 이상 떨어지게 된다. 또한, 전달 함수의 위상은 제4도의 하측에 도시된 곡선으로부터 볼 수 있는 바와 같이 약 100Hz으로부터의 범위 및 3000Hz를 초과하는 범위에서 0°내지 360°사이의 범위에 있다. 본 발명의 물리적인 설계 개념은 이들 결과를 성취하는데 도움을 준다.The handset design of the present invention creates an electroacoustic transfer function from the speaker input voltage to the microphone output voltage and adds a low complexity compensation circuit to provide excellent closed loop cancellation performance in the range of 100 Hz to 1100 Hz. This transfer function, shown in Figure 4, provides several important features. First, its transfer function gradually changes with frequency without being irregular or with peak response portions. In addition, the magnitude of the transfer function drops sharply at frequencies above about 1000 Hz so that almost all resonance peaks above about 2000 Hz are substantially 20 dB above the maximum amplitude. In addition, the phase of the transfer function is in the range from 0 ° to 360 ° in the range from about 100 Hz and above 3000 Hz, as can be seen from the curve shown at the bottom of FIG. The physical design concept of the present invention helps to achieve these results.
중요한 것은 슬롯(21) 및 포트(26)의 크기와 형상이 마이크로폰(22)과 수화기 포위제의 음향 공명을 방지하도록 제어되어야 한다는 것이다. 포트(26) 및 마이크로폰(22)과 관련된 마이크로폰 하우징(23)으로 둘러싸인 공간은 잠재적 공명 음향 챔버(chamber)를 포함한다. 가청 주파수 범위내의 주파수에서 이러한 챔버의 공명 응답은 음향 잡음 감소 성능을 저하시키는 진폭 및 위상 응답 왜곡이 생기게 할 것이다. 포트(26)의 구성, 직경 및 길이는 상기한 왜곡 효과를 감소시키도록 선택되었다. 마찬가지의 바람직하지 않은 공명 효과는, 음성을 통과시키면서 스피커에 대한 접근을 방지하는 슬롯(21)의 형성에 의해 수화기 포위체내에서 배제된다.Importantly, the size and shape of the slot 21 and port 26 should be controlled to prevent acoustic resonance of the microphone 22 and the receiver envelope. The space enclosed by the microphone housing 23 associated with the port 26 and the microphone 22 includes a potential resonance acoustic chamber. The resonance response of such chambers at frequencies within the audible frequency range will result in amplitude and phase response distortions that degrade acoustic noise reduction performance. The configuration, diameter and length of the port 26 were chosen to reduce the distortion effects described above. The same undesirable resonant effect is eliminated in the receiver enclosure by the formation of a slot 21 which prevents access to the speaker while passing the voice.
본 발명의 효용성은, 제5도를 참조하면, 더욱 확실할 수 있다. 단일 대상자에 대한 실험으로부터 얻은 잡음 상쇄 대 주파수에 대한 데이타는 본 발명이 상보형 잡음 상쇄 보상 회로와 함께 사용한 경우에 대한 것이다. 잡음 상쇄는 사용자의 귀에서 dB로 측정된 상쇄 회로가 "오프(off)"일 때의 잡음 파워 스펙트럼(noise power spectrum)과 상쇄 회로가 "온(on)"일 때의 잡음 파워 스펙트럼의 비로서 규정될 수도 있다. 이같은 측정은 대상자의 고막에서 에티모틱 이어 프로브(Etymotic ear probe)를 스펙트럼 분석기와 함게 사용하여 행해졌다. 제5도는 100Hz 내지 1100Hz 범위에 걸친 잡음 상쇄 성능을 도시한 것으로서, 잡음 상쇄 성능은 130Hz 내지 700Hz의 범위에서 10dB 이상으로, 그리고 400Hz에서는 15dB까지 이르렀다. 이러한 상쇄 주파수 대역은 앞서 언급한 전형적인 잡음이 많은 환경에서 매우 효과적이다. 이 잡음 상쇄 레벨은 다른 불명료한 인입 음성을 알아들을 수 있도록 하는데 충분하다.The utility of the present invention can be further confirmed with reference to FIG. 5. The data for noise cancellation versus frequency obtained from experiments on a single subject are for the present invention used with complementary noise cancellation compensation circuits. Noise cancellation is the ratio of the noise power spectrum when the cancellation circuit measured in dB at the user's ear is “off” and the noise power spectrum when the cancellation circuit is “on”. It may be prescribed. This measurement was done using an Etymotic ear probe with a spectrum analyzer in the subject's eardrum. 5 shows noise cancellation performance over a range of 100 Hz to 1100 Hz, with noise cancellation performance reaching more than 10 dB in the range of 130 Hz to 700 Hz and up to 15 dB at 400 Hz. This offset frequency band is very effective in the typical noisy environment mentioned above. This noise cancellation level is sufficient to allow for other ambiguous incoming voices.
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